استخدام محركات ضغط واطيء متغيرة السرعة لسحب غازات عوادم الافران الدوارة في معامل السمنت لرفع كفائتها

Abstract

لغرض تحقيق أهداف الشركة العامة للسمنت العراقية في زيادة الانتاج وتحسين نوعيته من خلال معالجة مشكلة توقفات المراوح الخلفية وما تسببه من تأثيرات سلبية على الافران والعملية الانتاجية ، لابد من الحل الجذري المتمثل في تغيير نوع المحرك ونظام تغيير سرعة المروحة الخلفية الى نظام آخر يضمن استمرارية عمل المروحة الخلفية للفرن وبالتالي استقرار تشغيل الفرن بكفاءة عالية .يتمثّل النظام الجديد بمحرك ضغط واطيء ويسمى اختصارا" (L.T) (400 V AC ) قليل الكلفة مقارنة مع المحرك القديم ذي الضغط المتوسط ويسمى اختصارا" (M.T) (6.6 kV AC) مع مغير سرعة بالتردد (AC Variable Frequency Driver ) قليل الكلفة أيضا" مقارنة مع باديء الحركة للجزء الدوار مع محولة (6.6 kV / 400 V ). حددت المواصفات الفنية للمنظومة الجديدة بشكل دقيق من خلال احتساب العزوم والقدرة للمنظومة لضمان نجاح عملية التطوير على المراوح الخلفية بكفاءة عالية والقضاء تماما" على مشكلة قلّة السحب لغازات العادم وتوقفات المراوح الخلفية في الافران . تم تنصيب وتشغيل المنظومة الجديدة على أحد الافران الدوارة في معمل سمنت الكوفة ( وهي تعمل حاليا"). وكانت النتائج جيدة وحققت هدف البحث . ويؤدّي العمل بالنظام الجديد للمراوح الخلفية الى المحافظة على أجزاء الافران واطالة العمر التشغيلي لمكونات الفرن وبقية الملحقات المرتبطة به وتقليل كلف الانتاج والصيانات وتحقيق الجدوى الاقتصادية للعملية الانتاجية. فضلا" عن نظافة منطقة المروحة مقارنة بالمنظومة القديمة ذات الضغط العالي مما ساهم في سلامة العاملين في المكان .

Keywords : - Cement Rotary Kiln , Variable Frequency Driver ( VFD) , Three Phase Slip ring Motor. المقدمة ان الهدف من البحث هوالمعالجة الجذرية لمشكلة التوقف المفاجيء للمراوح الخلفية للافران نتيجة ارتفاع حرارة الملفات وارتفاع حرارة باديء الحركة للجزء الدوار للمحرك .حيث ان منظومة محركات المراوح الخلفية للافران في معمل سمنت الكوفة مكونة من محركات حثية تعمل بتيار بدء عالي جدا" وبمستوى فولتية ضغط متوسط نوع (330 kW Slip ring Induction Motor 3-Phase 6.6 kV Medium Tension voltage) و تتغير سرعتها بواسطة باديء الحركة (Rotor Starter ) المربوط على الجزء الدوار للمحرك (Rotor) من خلال الفحمات الكاربونية (وهي مادة استهلاكية) والحلقات الانزلاقية (Slip rings). تتغيير سرعتها حسب حاجة الفرن لمقدار سحب الغازات , اذ يجب ان يكون هناك تناسب بين عملية الحرق داخل الفرن [1]( نسبة الاوكسجين في العادم O₂ = 2 , ونسبة غاز أول اوكسيد الكاربون CO = 0) وبين حرارة المواد وسرعة الفرن مع كمية الغازات الخارجة من الفرن وكمية الهواء داخلة الى الفرن من الجهه الاخرى وبشكل متوازن. وهذه المنظومة تعمل منذ انشاء المعمل عام (1978( و قد أجريت عمليات الصيانة والتصليح عليها بشكل كبير , وبسبب ظروف عملها وارتفاع حرارة الجو في فصل الصيف خاصة" وكلفة صياناتها العالية,أصبح من الضروري التفكير في القضاء على المشاكل التي تحدث بسبب توقفات المراوح الخلفية في ظل الظروف الاقتصادية التي تواجه شركتنا من جهة ، والتطور الحاصل في مجال السيطرة على سرع المحركات (motor drivers) من جهه أخرى , ومنها (AC Variable Frequency Drivers) ذات الكلفة المناسبة والمتوفرة في الأسواق المحلية لما لها من مميزات في تقليل استهلاك الطاقة وسهولة الاستخدام والسيطرة على سرعة المحركات الحثية من الصفر حتى السـرعة القصوى من خـلال التغيير بالتردد من الصفر إلى(50 Hz ) باستقرارية عالية باستخدام محركات ضغط واطيء (Squirrel cage) ودون الحاجة إلى استخدام محركات الـ (slip ring) عالية التكاليف .

الجزء العملي 1- الحسابات الميكانيكية :- لغرض اختيار مواصفات المحرك الجديد (400 V AC) (المناسبة وبشكل دقيق) تطلب معرفة عزم البدء الذي يوفره ليتم مقارنته بعزم البدء اللازم للحمل .وبشكل عام يجب ان يكون عزم البدء للمحرك أعلى من عزم البدء الذي يتطلبه الحمل وكلّما كان عزم المحرك أعلى من عزم الحمل كان المحرك أفضل أداءا" في العمل واطول عمرا" ، أي ان TS Motor < . TS Fanومن قوانين نيوتن أدناه [2] يمكن حساب عزم البدء للحمل وهي : Starting Torque (TS ) [2]: Ts m ............. ( Newton's second Law) where : J = total moment of inertia, kg = angular acceleration , rad/ يمكن حساب عزم الحمل ((TS Load ويساوي : = 15767.41 N.m TS Load =Ts Fan + TS shaft وحيث ان نسبة تحويل صندوق التروس (Gear Ratio ) المثبتة في لوحة الاسم (Name plate) تساوي : ( .( 1475 rpm / 521 rpm = 2.83 يكون عزم البدء المطلوب من المحرك الحالي(6.6 kV ) ان يوفره كمايلي :- TS Motor = = = 5571.5 N.m توفرالمنظومة الجديدة ( (AC VFD سرعة اساسية قليله جدأ" [3] و يمكن اختيار زمن التعجيل لتدويرالحمل ( Acceleration time 0 ) حيث تبدا السرعة من الصفر دون الحاجة الى عزم عالي بثبات القدرة (kW) لضمان نجاح وديمومة المنظومة الجديدة . 2 - حساب المواصفات الكهربائية للمحولة والمحركات الجديدة وملحقاتها :- بعد الاطلاع على مواقع الشركات المصنّعة في الانترنت حصل على مواصفة محرك ضغط واطيء (400 V AC , 400 kW, 710 A ) يوفر عزم بدء ( 5900 Nm) , ولحساب المواصفات الفنية للمحولة اعتمدت قيمة التيار (800 A) ، ويمكن حساب (KVA ) وبقية المواصفات للمحولة لما يلي : Transformer (KVA) = = 1155.64 KVA واذا اخذ بنظر الاعتبار هامش الأمان لنوع الحمل وهو مراوح متغيرة السرعة والعزوم (Variable Torque Load ) بمقدار (20 % KVA) واذا اضيفت نسبة (8 % KVA ) لكل ( (10 C˚ ارتفاع فوق درجة حرارة المحيط (40 C˚) حيث ان درجة حرارة المحيط تصل في بعض الاحيان الى (55 C˚) وعليه تكون مواصفات المحولة كما يأتي :

Input / output (Y) Voltages = 6.6 kV / 400 V , Ambient Temp = 55 C˚ Transformer Rating = 1.6 MVA , O/P Rated Current = = 2312 Ampere وبعد توفر المواد المطلوبة للمنظومة الجديدة تم التنصيب على أحد الافران كبداية , بعد ازالة المواد القديمة لاحدى المراوح واجراء اعمال الموازنة الميكانيكية للمحرك ,وكما في الشكل رقم (1) الذي يوضح الفرق قبل وبعد التطويرمع اكمال الربط الكهربائي , تم تشغيل الفرن بالمروحة الجديدة .

شكل رقم (1) يوضّح مخطط مقارنة الربط الكهربائي للمنظومتين القديمة و الجديدة قبل و بعد التطوير من محطة التوزيع الى المحركات المناقشة والاستنتاج من خلال ما ورد آنفا من حسابات وتشغيل فعلي للمنظومة الجديدة لفترة سنة تقريبا يتضح ما يلي :- 1- وجود جدوى اقتصادية (على المدى القريب) من ناحية كلفة توفير المنظومة الجديدة مقارنة" بكلف صيانة وتصليح المنظومة القديمة وكثرة توقفاتها وكلف ادامتها (فحمات كاربونية , مضخّة....الخ) . وجدوى اقتصادية على المدى البعيد من ناحية انعكاس استقرار تشغيل المراوح الخلفية على استقرار تشغيل الافران و زيادة الانتاج ومنع حدوث الخسائر التي قد تحدث في الانتاج عند التوقف المفاجيء للمروحة الخلفية وتحسين النوعية . فضلا" عن تقليل الصيانات على جسم الفرن وتقليل والاضرار في الطابوق الناري والمناقلات في الانتاج وصيانة الآليات ( بلدوزر , شفل , سيارة حمل ......الخ وكلف صياناتها ) وتوفير مبالغها الكبيرة للمعمل والشركة. والجدول رقم (1) ادناه يبين مقارنة بين كلف الشراء والتصليح لكلا المحركين (الجديد L.T , والقديم M.T) . ت نوع المحرك كلفة شراء المحرك الواحد ( مليون دينار ) كلفة تصليح المحرك الواحد (مليون دينار ) الملاحظات

1 محرك المروحة القديم ذي الضغط المتوسط (3-Phase 6.6 kV 330 kW Slip ring Motor with Rotor starter) - كلفة المحرك الواحد 150) مليون) دينار تقريبا. - كلفة الستارتر الواحد 80) مليون( دينار تقريبا". - المجموع / 230) مليون( دينار تقريبا" 25) مليون( دينار كمعدل كل 2)- (3 سنة لاتشمل الفحمات ومضخات محلول الستارتر يعمل بكفاءة قليلة وسرعة وذي توقفات كثيرة بسبب حرارة الملفات وحرارة الستارتر

2 محرك المروحة الجديد ذي الضغط الواطيء (3- Phase 400 V 400kW Squirrel Cage With AC Freq. driver ) - كلفة المحرك الواحد 50 ) مليون( دينار تقريبا" - كلفة الـ (driver ) الواحد 45) مليون (دينار تقريبا" المجموع / 95) مليون( دينار تقريبا". لا تتجاوز 2) -4 مليون ( دينار كل (5- 10) سنوات 1- مستقر و يعمل بكفاءة عالية . 2- كلفته (41 %) من كلفة المحرك القديم ( عدا الصيانة ) .

جدول رقم (1) : مقارنة كلف شراء وصيانة المحرك القديم والمحرك الجديد. 2- توفير جهود الفنيين والعاملين في صيانة الافران وفي بناء الافران للصيانات الوقائية والطارئة الاخرى . 3- عملية بدء اشتغال المروحة من السرعة صفر وبشكل تدريجي يحافظ على صندوق التروس (Gear Box ) ويمنع حدوث هبوط الفولتية اللحظي بسبب سحب التيار العالي كما كان في المنظومة القديمة والذي يسبب احيانا" انطفاء احدى طواحين السمنت (3400 kW) بسبب جهاز حماية هبوط الفولتية الموجود فيها مما يستوجب اعادة تشغيلها مرّة اخرى وتحتاج الى تشغيل مولّد اضافي لاستيعاب تيار البدء . وبالمنظومة الجديدة يكون البحث قد تجاوز هذه المشكلة مما حافظ ايضا" على مولدات محطة التوليد .

التوصيات بعد انجازهذا البحث من جوانبه الفنية والاقتصادية والذي بين فيها تحقيق الأهداف المنشودة في زيادة الانتاج وتقليل الكلف نوصي بما يلي : أولا" :- تطبيق البحث وتعميمه على بقية الافران في معمل سمنت الكوفة بشكل تدريجي وبأسرع وقت ممكن ، بعد توفير المستلزمات المذكورة فيه . كما يمكن الاستفادة من هذا التطبيق في معامل الاسمنت الأخرى ومعامل الاسمدة في العراق . ثانيا" :- استبدال جميع المحركات الحثية نوع (Slip ring ) بمحركات حثية نوع (Squirrel Cage) مع مغير سرعة بالتردد بعد احتساب متطلبات الحمل (العزم ) وبقية المواصفات الفنية بشكل دقيق .

المصادر 1- Cement Engineering Handbook ...................... ISBN 3-7625-0975-1 2- Starting Torque of Fan …...(KRϋGER ) Technical Bulletin. TBN 019.1/2001 3- SL-AC VFD manual …….LG company.